CN111089845A - 一种光学溶解氧传感器的快速校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光化学传感领域，涉及一种溶解氧传感器的快速校准方法。该方法包括以下步骤：1)搭建溶解氧传感器气体校准装置；2)绘制气态氧校准曲线。本发明提供的溶解氧传感器的校准方法仅需测定气态氧校准曲线，与传统的溶解氧传感器校准方法相比，该方法简单方便，并极大地缩短了传感器校准所需要的平衡时间，可快速实现溶解氧传感器的准确校准。

Description

一种光学溶解氧传感器的快速校准方法
技术领域
本发明属于光化学传感领域，涉及一种溶解氧传感器的快速校准方法。
背景技术
溶解氧是指溶解在水中的分子态氧，溶解氧含量是水质检测中一项重要指标，也是海洋研究中的重要参数之一。目前测定水中溶解氧含量的主要方法是碘量法和膜电极法。使用碘量法测定溶解氧时，需要在暗处进行测定，有色溶液、氧化性和还原性物质、有机物会对检测造成明显干扰。使用膜电极法测定溶解氧时，溶解氧浓度需要大于0.1mg/L，且测试过程中需要消耗氧气，电极膜需要经常更换并重新校准，当不使用时，仍需要保存在无氧水中以避免电极材料的消耗。碘量法和膜电极法校准复杂、准确度低，且对温度敏感。基于发光猝灭的光学氧气传感器，由于具备优异的可逆性、响应快速、无需重新校准、高精确度和高准确度等优异特性，已经逐渐取代了基于碘量法和膜电极法的传感器，成为测量氧气的主要方法之一。氧气分子扩散至氧气敏感探头上，猝灭探头中固定的荧光/磷光分子的发光，引起不同氧浓度下的发光强度和荧光/磷光寿命的变化，发光强度或寿命和氧气浓度的可以由Stern-Volmer方程来描述。光学溶解氧传感器目前一般使用两点法进行校准，以实验温度下计算获得的理论溶解氧含量作为基准值，分别通过测定无氧水和溶解氧饱和水溶液的荧光参数进行两点校准。然而，由于溶液中氧气浓度平衡，特别是绝对无氧水溶液和饱和溶解氧水溶液的平衡，一般需要很长时间，因此该校准方法速度很慢，效率很低，因此给现场委员测量带来诸多不便。此外，两点法校准基准值少，仅适用于校准曲线为直线的传感器。然而现实中由于染料分子分布在不同的化学环境中，基本没有溶解氧传感器的校准曲线是直线，绝大多数光学氧传感器的校准曲线都是弯曲的。因此两点校准法很难准确描述一条弯曲的曲线，校准误差较大，难以满足氧浓度监测研究、深海底原位培养研究等科研工作对于高精度溶解氧数据的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的光学溶解氧传感器的快速校准方法。使用快速的气态氧校准方法代替传统的溶解氧校准方法，极大的缩短校准时间，简化校准流程，并提高校准的精确度。这种快速校准方法适用于氧气通透性P≥5的基于荧光/磷光猝灭原理进行氧浓度测量的光学氧气传感器。
本发明中的溶解氧校准曲线的测定方法已证明适用于不同种类溶解氧传感器。本发明包括以下步骤：
(1)搭建溶解氧传感器气体校准装置：将氩气存储罐1和氧气存储罐2分别与气体流量计3和4连接，通过软件控制气体流量计并设置气体混合比例。打开氩气存储罐1和氧气存储罐2的阀门后，在两个气体流量计3和4连接的气体混合罐5中得到含有不同浓度的氧气混合气体。使用控温装置8控制测试罐6中温度，将符合要求的氧敏感探头7置于测试罐6中，将氧敏感探头7和传感器控制主机9相连。
(2)绘制气态氧校准曲线：通过流量计3和4控制不同比例的氧浓度，氧气分子扩散至传感器氧气敏感探头7，传感探头7的荧光/磷光发生猝灭，荧光强度、相移或荧光寿命发生变化，借助传感器控制主机9读取相关数值，根据Stern-Volmer方程对获得的校准数据进行拟合。测定和绘制不同温度、不同氧浓度下的校准曲线，得到相关参数，绘制气态氧校准曲线。
在步骤(1)中，所用的氩气也可用氦气、氮气等化学性质不活泼的气体替代；氧敏感探头7包括但不仅限于氧敏感膜、针状氧传感器、便携式氧传感器、溶解氧传感探头、溶解氧浮标等。涉及的光学氧传感器的氧敏感探针包括但不仅限于以下金属的配合物：Pt，Pd，Ru，Al，Mg，Fe，Ir等。混合气体的氧气浓度由质量、压力流量控制器或混合气体配气仪控制。测试罐6的温度由循环水浴或者其他温度控制装置进行调控。
在步骤(2)中，氧气传感器的主要测量原理是通过氧敏感探头的荧光强度、相移或荧光寿命变化检测氧气，传感器测量到的随氧浓度变化的荧光强度、相移或者荧光寿命信号可以通过Stern-Vomer方程进行拟合。使用控温装置8控制测试罐6的温度，将探头7置于含有不同氧气浓度的待测体系中，读取并记录荧光强度、相移或荧光寿命值，绘制出气态氧的校准曲线。如果氧传感器的氧敏感膜基质的氧气通透性P满足≥5的基本条件时，传感膜基质可以从水体中萃取到足够多的氧分子，从而使得传感器溶解氧的校准曲线和气态氧的校准曲线完全一致，从而可以使用气态氧校准曲线代替溶解氧校准曲线，实现溶解氧校准曲线的快速绘制和氧传感器的快速校准。
针对现有的溶解氧校准曲线测定时存在的测定过程复杂、耗时、成本高、结果不准确等问题，本发明揭示了气态氧和溶解氧校准曲线的联系，通过测定气态氧校准曲线获得溶解氧校准曲线，提供了一种光学溶解氧传感器的快速校准方法。该方法操作方便、快速简单、成本低廉、准确度高，可解决迫切的溶解氧测定校准需求，并具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施的装置示意图。
图2是本发明制备的光学传感器气态氧和溶解氧的响应图。
其中，虚线.溶解氧校准曲线图；实线.气态氧校准曲线图
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施案例对本发明进一步说明。
实施例1：
使用海洋光学FOXY氧敏感探头进行气态氧和溶解氧的校准。使用瑞士Voegtlin生产的氩气和氧气质量流量控制器控制混合气中氧气浓度。将FOXY氧敏感探头置于含有不同浓度氧气的密封体系中。在氧敏感探头上连接Y型光纤，Y型光纤检测的荧光强度用HitachiF-7000光谱仪记录。再根据Stern-Volmer方程进行拟合，得到气态氧校准曲线，该曲线与溶解氧直接测定的校准曲线一致。
实施例2：
使用PreSens生产的微型光化学传感器，进行气态氧和溶解氧的校准。使用两个大连中诚仪器仪表公司生产的质量流量控制器制备合成气。将氧敏感探头置于含有不同浓度氧气的密封体系中。将氧敏感探头上连接到Presens生产的手持式溶解氧传感主机进行记录。得到气态氧校准曲线，该曲线与溶解氧直接测定的校准曲线一致。

Claims (4)

1.一种光学溶解氧传感器的快速校准方法，其特征在于：(1)这种快速校准方法适用于所有基于荧光/磷光猝灭原理进行氧浓度测量的光学氧气传感器；(2)适用于这种快速校准方法的氧传感器中的氧敏感膜材料，其氧气通透性P需要满足P≥5的基本条件；其中P的单位为cm3·mm×1010/(cm2·s·cmHg)；(3)满足条件(1)和(2)的光学氧传感器可以使用混合气快速校准方法代替传统的溶解氧校准方法，从而大大简化校准流程，缩短校准所需时间。
2.如步骤(1)所述，所述的快速校准方法，其特征在于：这种快速校准方法适用于所有基于荧光/磷光猝灭原理进行氧浓度测量的光学氧气传感器，包括片状氧敏感膜、针状氧传感器、便携式氧传感器、溶解氧传感探头、溶解氧传感浮标。
3.如步骤(2)所述，所述的快速校准方法，其特征在于：这种校准方法仅适用于氧敏感膜材料的氧气通透性P≥5的光学氧传感器，这种校准方法适用的前提条件是氧传感膜具有足够的微观氧气萃取能力，保证传感膜从溶液中能萃取到足够多的氧分子，从而猝灭氧敏感涂层的荧光/磷光。
4.如步骤(3)所述，所述的快速校准方法，其特征在于：含不同氧气浓度的混合气由气体质量流量计或气体压力流量计调控混合得到。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113466423A (zh) * 2021-07-28 2021-10-01 西安热工研究院有限公司 一种溶解氧表校准测试系统及方法
CN113916849A (zh) * 2021-09-10 2022-01-11 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101713735A (zh) * 2008-10-07 2010-05-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种氧荧光敏感膜及其制备方法
CN106855513A (zh) * 2015-12-09 2017-06-16 江南大学 一种水中溶解氧的测定方法
CN107515208A (zh) * 2017-09-14 2017-12-26 浙江省城乡规划设计研究院 一种基于荧光淬灭的好氧生物膜内部溶解氧检测方法及专用标定装置和测定装置
CN108458997A (zh) * 2017-12-29 2018-08-28 北京农业智能装备技术研究中心 一种溶解氧光纤传感器
CN207798779U (zh) * 2017-12-22 2018-08-31 北京农业智能装备技术研究中心 一种气体校准装置
CN108680551A (zh) * 2018-07-09 2018-10-19 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 光学溶解氧传感器原位自校准装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101713735A (zh) * 2008-10-07 2010-05-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种氧荧光敏感膜及其制备方法
CN106855513A (zh) * 2015-12-09 2017-06-16 江南大学 一种水中溶解氧的测定方法
CN107515208A (zh) * 2017-09-14 2017-12-26 浙江省城乡规划设计研究院 一种基于荧光淬灭的好氧生物膜内部溶解氧检测方法及专用标定装置和测定装置
CN207798779U (zh) * 2017-12-22 2018-08-31 北京农业智能装备技术研究中心 一种气体校准装置
CN108458997A (zh) * 2017-12-29 2018-08-28 北京农业智能装备技术研究中心 一种溶解氧光纤传感器
CN108680551A (zh) * 2018-07-09 2018-10-19 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 光学溶解氧传感器原位自校准装置及方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
叶廷秀 等: "荧光氧传感纳米粒子的制备", 《闽南师范大学学报》, vol. 32, no. 1, 31 March 2019 (2019-03-31), pages 55 - 39 *
李学胜 等: "基于荧光猝灭法溶解氧传感器研制中遇到的问题", 《水电与抽水蓄能》, vol. 2, no. 1, 20 February 2016 (2016-02-20), pages 71 - 74 *
梁世中 等: "《生物反应工程与设备》", 31 August 2011, 华南理工大学出版社, pages: 233 - 238 *
郑旻辉 等: "荧光猝灭法溶解氧传感器实验室校准方法研究", 《海洋技术学报》, vol. 35, no. 1, 29 February 2016 (2016-02-29), pages 62 - 67 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113466423A (zh) * 2021-07-28 2021-10-01 西安热工研究院有限公司 一种溶解氧表校准测试系统及方法
CN113916849A (zh) * 2021-09-10 2022-01-11 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置
WO2023035386A1 (zh) * 2021-09-10 2023-03-16 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置

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